Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

7.2: Матерія

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3620

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Матерія - це «речі», знайдені в екосистемах. Технічно матерія визначається як все, що займає простір або має масу. Маса - це стійкість до прискорення. Простіше кажучи, маса схожа на вагу, але вага припадає на прискорення за рахунок сили тяжіння. Матерія рухається між біотичними та абіотичними компонентами екосистеми через біогеохімічні цикли. Повністю розуміючи ці цикли, вимагає фону в частинках, які складають речовину, атоми.

    Атоми і молекули

    Елементи - це речовини, які не можуть бути розщеплені або перетворені хімічним шляхом в інші речовини (рис.\(\PageIndex{a}\)). Всього було визначено 118 елементів; однак лише 92 відбуваються природним шляхом і менше 30 - в організмах. Решта 26 елементів нестабільні і тому не існують дуже довго або є теоретичними і ще не виявлені. Кожен елемент позначається своїм хімічним символом (наприклад, H, N, O, C і Na), і володіє унікальними властивостями. Ці унікальні властивості дозволяють елементам комбінувати і зв'язуватися один з одним конкретними способами.

    Періодична таблиця елементів
    Малюнок\(\PageIndex{a}\): Менделєєва таблиця елементів організовує хімічні елементи виходячи з їх властивостей. Кожен елемент представлений одно- або дволітерним символом. Крім того, атомний номер, ім'я та атомна маса перераховані для кожного елемента. Клацніть тут, щоб переглянути доступну періодичну таблицю елементів. Зображення за допомогою OpenStax (CC-BY)

    Атом - найменший компонент елемента, який зберігає всі хімічні властивості цього елемента. Наприклад, один атом водню має всі властивості елемента водню, наприклад, він існує як газ при кімнатній температурі і він зв'язується з киснем для створення молекули води. Атоми водню не можна розбити на щось менше, зберігаючи при цьому властивості водню. Якби атом водню був розбитий на більш дрібні частинки, він більше не мав би властивостей водню. На самому базовому рівні всі організми складаються з комбінації елементів. Вони містять атоми, які об'єднуються разом, утворюючи молекули. Молекули можуть взаємодіяти, утворюючи клітини, структурні та функціональні одиниці життя. У багатоклітинних організмах, таких як тварини, ці клітини об'єднуються, утворюючи тканини, з яких складаються органи. Ці комбінації тривають до тих пір, поки не утворюються цілі багатоклітинні організми.

    Атоми об'єднуються, утворюючи молекули. Молекули - це хімічні речовини, виготовлені з двох або більше атомів, пов'язаних між собою. Деякі молекули дуже прості, як O 2, який складається лише з двох атомів кисню. Деякі молекули, які використовуються організмами, такі як ДНК, складаються з багатьох мільйонів атомів. Всі атоми містять протони, електрони і нейтрони (рис.\(\PageIndex{b}\)). Виняток становить лише водень (H), який зазвичай складається лише з одного протона та одного електрона. Протон - це позитивно заряджена частинка, яка знаходиться в ядрі (ядрі атома) атома і має масу 1 і заряд +1. Електрон - це негативно заряджена частинка, яка подорожує в просторі навколо ядра. Іншими словами, він знаходиться поза ядром. Він має мізерно малу масу і має заряд -1. Нейтрони, як і протони, мешкають в ядрі атома. Мають масу 1 і не заряджають. Позитивний (протони) і негативний (електрони) заряди врівноважують один одного в нейтральному атомі, який має чистий нульовий заряд.

    Атом гелію з двома протонами, двома нейтронами та двома електронами
    Малюнок\(\PageIndex{b}\): Атоми складаються з протонів (червоний зі знаком плюс, +) і нейтронів (жовтий), розташованих всередині ядра, і електронів (синіх зі знаком мінус, −), що оточують ядро. Ядро атома не слід плутати з ядром клітини.

    Кожен елемент містить різну кількість протонів і нейтронів, надаючи йому свій атомний номер і масовий номер. Атомний номер елемента дорівнює кількості протонів, які містить елемент. Масове число - це кількість протонів плюс кількість нейтронів цього елемента. Тому визначити кількість нейтронів можна, віднімаючи атомний номер з числа маси.

    Хімічні зв'язки

    Те, як елементи взаємодіють один з одним, залежить від кількості електронів і того, як вони розташовані. Коли атом не містить рівних чисел протонів і електронів, його називають іоном. Оскільки кількість електронів не дорівнює кількості протонів, кожен іон має чистий заряд. Наприклад, якщо натрій втрачає електрон, він тепер має 11 протонів і лише 10 електронів, залишаючи його із загальним зарядом +1. Позитивні іони утворюються при втраті електронів і називаються катіонами. Негативні іони утворюються при отриманні електронів і називаються аніонами. Елементарні аніонні імена змінені, щоб закінчуватися на -ide. Як приклад, коли хлор стає іоном, його називають хлоридом.

    Іонні і ковалентні зв'язки - це міцні зв'язки, утворені між двома атомами. Ці зв'язки утримують атоми разом у відносно стабільному стані. Іонні зв'язки утворюються між двома протилежно зарядженими іонами (аніон і катіон). Оскільки позитивні та негативні заряди притягуються, ці іони тримаються разом так само, як два протилежно заряджені магніти злипаються. Ковалентні зв'язки утворюються, коли електрони діляться між двома атомами. Кожен атом розділяє один зі своїх електронів, який потім обертається навколо ядер обох атомів, утримуючи два атоми разом. Ковалентні зв'язки є найміцнішою і найпоширенішою формою хімічного зв'язку в організмах. На відміну від більшості іонних зв'язків, ковалентні зв'язки не дисоціюються у воді. Водневі зв'язки утворюються тоді, коли молекули мають нерівномірний розподіл електронів і, таким чином, мають частково позитивні і частково негативні кінці. Вони таким чином притягуються один до одного (фігура\(\PageIndex{c}\)). Технічно водневі зв'язки відбуваються лише між воднем і киснем (O), азотом (N) або фтором (F). Іноді водневі зв'язки з'єднують різні частини або великі молекули, як це відбувається в ДНК і білках. Водневі зв'язки слабкіші іонних і ковалентних зв'язків і можуть легко розриватися. (Зверніть увагу, що водневі зв'язки є одними з найсильніших міжмолекулярних сил, однак ті, що відбуваються між молекулами.)

    Діаграма, що показує водневі зв'язки, що утворилися між сусідніми
    Малюнок\(\PageIndex{c}\): Водневі зв'язки утворюються між трохи позитивними і трохи негативними зарядами певних молекул, таких як вода. Кожна молекула води складається з атома кисню (О), з'єднаного з двома атомами водню (Н) ковалентними зв'язками (твердими лініями). Пропунктирні лінії представляють водневі зв'язки між молекулами води.

    Біологічні макромолекули

    Організми містять великі органічні молекули, звані біологічними макромолекулами. Органічні молекули - це ті, які містять вуглець, ковалентно пов'язаний з воднем. (Навпаки, неорганічні молекули не мають вуглецю, пов'язаного з воднем, і часто простіші, ніж органічні молекули.) Крім того, вони можуть містити кисень, азот, фосфор, сірку та додаткові елементи.Існує чотири основні класи біологічних макромолекул: вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти. Кожен є важливим компонентом клітини і виконує широкий спектр функцій.

    Часто говорять, що життя «на основі вуглецю». Це означає, що атоми вуглецю, пов'язані з іншими атомами вуглецю або іншими елементами, утворюють фундаментальні компоненти багатьох молекул, унікальних у живих істотах. Інші елементи відіграють важливу роль у біологічних молекулах, але вуглець, безумовно, кваліфікується як «основний» елемент для молекул живих істот. Саме зв'язуючі властивості атомів вуглецю відповідають за його важливу роль. Вуглець може утворювати чотири ковалентні зв'язку з іншими атомами або молекулами. Найпростіша молекула органічного вуглецю - метан (CH 4), в якому чотири атома водню зв'язуються з атомом вуглецю (рис.\(\PageIndex{d}\)).

    Вуглеводи включають те, що зазвичай називають простими цукрами, такими як глюкоза, і складні вуглеводи, такі як крохмаль. Хоча багато видів вуглеводів використовуються для отримання енергії, деякі використовуються для структури більшістю організмів, включаючи рослини і тварини. Наприклад, целюлоза - складний вуглевод, який додає жорсткості і міцності зовнішньому шару рослинних клітин (клітинних стінок).

    Діаграма молекули метану, яка є одним атомом вуглецю, зв'язується з чотирма атомами водню.
    Малюнок\(\PageIndex{d}\): Вуглець може утворювати чотири ковалентні зв'язки для створення органічної молекули. Найпростіша молекула вуглецю - метан (СН 4), зображений тут.

    Ліпіди включають різноманітну групу сполук, які об'єднані спільною ознакою: ліпіди нерозчинні у воді. Ліпіди виконують безліч різних функцій в клітині. Клітини зберігають енергію для тривалого використання у вигляді ліпідів, званих жирами. Ліпіди також забезпечують ізоляцію з навколишнього середовища для рослин і тварин. Наприклад, вони допомагають утримувати водних птахів та ссавців сухими через їх водовідштовхуючий характер. Ліпіди також є будівельними блоками багатьох гормонів і є важливою складовою мембран, які оточують клітини і утворюють багато їх внутрішніх структур.

    Білки є однією з найпоширеніших органічних молекул в живих системах і мають найрізноманітніший спектр функцій всіх макромолекул. Всі вони є полімерами амінокислот. Функції білків дуже різноманітні, оскільки існує 20 різних хімічно відмінних амінокислот, які утворюють довгі ланцюги, а амінокислоти можуть бути в будь-якому порядку. Білки можуть функціонувати в полегшених хімічних реакціях в організмах, таких як фотосинтез, передаючи повідомлення як гормони, змушуючи м'язи скорочуватися, і багато іншого.

    Нуклеїнові кислоти - це дуже великі молекули, які важливі для безперервності життя. Вони несуть генетичний план клітини і, отже, інструкції щодо її функціональності. Два основних типи нуклеїнових кислот - дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) і рибонуклеїнова кислота (РНК). ДНК - генетичний матеріал, знайдений у всіх організмах, починаючи від одноклітинних бактерій і закінчуючи багатоклітинними ссавцями. Інший тип нуклеїнової кислоти, РНК, в основному бере участь в синтезі білка. ДНК та РНК складаються з невеликих будівельних блоків, відомих як нуклеотиди. ДНК має красиву подвійну спіральну структуру (рис.\(\PageIndex{e}\)).

    ДНК-подвійна спіраль
    Малюнок\(\PageIndex{e}\): Модель подвійної спіралі показує ДНК як дві паралельні нитки переплетених молекул.

    Атрибуція

    Модифікований Мелісою Ха з матерії з екологічної біології Метью Р. Фішер (ліцензований під CC-BY)